Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Таблица 1.2. Характеристики автогенераторов.

В таблице 1.2 приняты сокращения: «СПМФШ» — спектральная плотность мощности фазовых шумов на отстройке 1 кГц /10кГц от несущей 10ГГц. «Долг. нестаб. Частоты» -долговременная нестабильность частоты. «Диап. перестр.» — Диапазон перестройки частоты. «Комм. название» -Коммерческое название.

В квантовом стандарте частоты КСЧ преобразование оптической частоты, которая равна примерно 200 ГГц, в радиочастоту 6,4 ГГц производится с использованием квантовых резонансных свойств атома цезия Cz. В генераторе Лазер ФСК преобразование оптической частоты 438ТГц в частоту 10ГГц производится с использованием биений на фотодетекторе двух «фазированных» оптических частот.

С ростом радиочастоты генерации происходит увеличение акустических потерь в кварцевом КР и ПАВ резонаторами (или линиями задержки). Это приводит к снижению их добротности резонаторов в диапазоне СВЧ. Среди «электромагнитных» резонаторов, в которых происходит преобразование электрических колебаний в электромагнитное поле СВЧ, наибольшей добротностью обладает дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира ДДРлС.

Основным недостатком диэлектрического резонатора из лейкосапфира ДДРлС является его сильная зависимость резонансной частоты и фазо-частотной характеристики от температуры (температурная нестабильность резонансной частоты резонатора из лейкосапфира ДДРлС примерно составляет 10 —4 1/град С и определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь материала).

Заметим для сравнения, что в ОАГ в отличие от генератора на лейкосапфировом резонаторе применяется стабилизированная ВОЛЗ на оптическом кварцевом волокне. Собственная нестабильность частоты генератора ОАГ (без внешних устройств подстроек частоты) составляет 10 —5…10 —6 1/град С [95] и определяется температурной зависимостью показателя преломления кварца от температуры. Частотный диапазон перестройки ОАГ ВОЛЗ с внешней модуляцией с модулятором Маха-Цендера составляет от 1 до 22 ГГц и перекрывает диапазоны других типов генераторов [76].

Генератором, имеющим наилучшую долговременную стабильность частоты, является первичный цезиевый стандарт частоты (Agilent 5071 A фирмы НP). Следует отметить, что стоимость таких коммерческих генераторов приближается к нескольким десяткам тысячам долларов США в зависимости от комплектации.

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем АКС различных автогенераторов.

Таблица 1.3. Характеристики автоколебательных систем АКС различных автогенераторов АГ. (Продолжение).

Спектральная плотность мощности фазового шума (СПМФШ) автогенераторов является наиболее удобной характеристикой, которая отражает его шумовые свойства. Шумы в генераторе участвуют в формировании его спектральной линии генератора. Большинство известных методов измерения шумов оказываются непригодными в отношении опорного генератора из-за их неспособности анализировать предельно узкополосные сигналы. Шумы генераторов удобнее описывать с помощью таких понятий, как спектральные плотности мощности амплитудного S α( f ), Вт/Гц и фазового S φ(f) , рад 2/Гц шумов, которые являются функциями частоты анализа f . Спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора определяет кратковременную нестабильность частоты генератора. Так с лучшей кратковременной нестабильностью является малошумящий автогенератор с дисковым диэлектрическим резонатором из лейкосапфира (ДДРлС), частота генерации около 10- 12 ГГц [3].

Перестраиваемые электронно в широком диапазоне частот ЖИГ-генераторы и генераторы на диодах Ганна имеют большую выходную мощность 40…400мВт [3], малые массо-габаритные размеры (20х40х40 куб. мм) и малую стоимость 300- 3000 долларов США и в этом отношении имеют преимущества перед малошумящими генераторами (МШГ) на ДР и МШГ из лейкосапфира. Но данные генераторы имеют низкую кратковременную и долговременную стабильность частоты и обладают низким качеством чистоты спектра. Их СПМФШ составляет — 50—70 Дб/Гц при стандартной отстройке 10 кГц от несущей в диапазоне2…8 ГГц.

К более экономичным моделям относятся генераторы на диэлектрических резонаторах из керамики (ДКР). Их СПМФШ при частотной отстройке на 10 кГц от несущей в диапазоне 2…22 ГГц составляет — — 100… — 90 Дбм/Гц [145]. Их стоимость составляет от 2000 до 15000 долларов США. ПАВ —генераторы с умножением частоты по своим техническим характеристикам занимают промежуточное место — между кварцевыми генераторами и генераторами с ДР. Их стоимость составляет от 100 до 7000 долларов США.

СПМ фазовых шумов в традиционных электронных генераторах определяются добротностью резонатора или линии задержки. Общие габариты автогенератора зависят от размеров резонаторов, так как применяемые в автогенераторах активные элементы (транзисторы) имеют габаритные размеры в 100 и 1000 раз меньше, чем размеры резонаторов.

Для сравнения на рис.1.14 а представлены нагруженные добротности резонаторов традиционных автогенераторов и ОАГ с ВОЛЗ, а на рис.1.14б нормированные на время задержки потери мощности при распространении колебаний. Из анализа на рис.1.14 а) и б) добротностей резонаторов (и линий задержек) и нормированных на время задержки потерь мощности при распространении сигнала (колебаний) сделаем выводы: использование ОАГ с ВОЛЗ в качестве малошумящих генераторов должно иметь несомненные преимущества перед генераторами с КР и ПАВР на частотах выше 5…7 ГГц [40], ОАГ с ВОЛЗ становится конкуретным на частотах выше 5…7 ГГц с генератором на лейкосапфире, и ОАГ с ВОЛЗ имеет преимущества перед генератором на лейкосапфире на частотах 12…70 ГГц и выше [3].

м

Рис.1.29. Добротности резонаторов и линии задержки, применяемых в современных стабильных автогенераторах ВЧ и СВЧ. 1-КР-кварцевый резонатор, 2-ПАВР- резонатор на поверхностных акустических волнах, 3 -объемный резонатор электромагнитных волн, 4- ДКР- дисковый диэлектрический резонатор из керамических сплавах, 5- ДДРлС-дисковый диэлектрический резонатор из лейкосапфира, 6 —ЖИГР-резонатор из иттрий аллюминиевого граната, 7-ВОЛЗ — волоконно-оптическая линия задержки (время задержки 50 мкс), 8 — ОДР — оптический дисковый резонатор.

Рис.1.30. Нормированные на время задержки потери мощности при распространении сигнала (колебаний) в 1,2- в радиочастотных кабелях РК-50 и РК-75; в 3,4- в акустических кристаллах в кварце SiO 2 Y- и Z-срезов; 5.6-рэлеевская упругая волна и продольная волна в кристалле LiNbO 3 (без учета потерь в электроакустических преобразователях); 7,8- продольная волна и поверхностная волна «шепчущей галереи» в лейкосапфире; 9 — потери в оптическом волокне (потери примерно 0,2дБ/км на длинах волн 1,3мкм и 1,55мкм); 10,11- при разных потерях в ВОЛЗ с учетом потерь на электронно-оптическое в кванотоворазмерном лазерном диоде и оптоэлектронное преобразование в фотодетекторе ФД и потерь на стыковку оптического волокна ОВ с лазерным диодом и фотодетектором ФД.